(57)【要約】【課題】主電流が流れる配線パターンの温度上昇を抑え、かつ部品コストの上昇を抑制することである。【解決手段】絶縁回路基板３２上には、銅パターン３３が形成され、その銅パターン３３上にヒートスプレッダ３４がはんだ付けされ、ヒートスプレッダ３４の上に半導体チップ３５が搭載されている。外部電極３６の側面３６ａと、ヒートスプレッダ３４の側面３４ａとの距離ａ（図１の水平方向の距離ａ）が短くなるように外部電極３６とヒートスプレッダ３４を配置する。これにより、外部電極３６の側面３６ａとヒートスプレッダ３４の側面３４ａとの間の銅パターン３３の温度上昇を抑えることができる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子の主電流が流れる外部端子を形成する金属導体と、
絶縁基板上に形成され、前記金属導体と前記半導体素子とを電気的に接続する導電性の配線パターンとを有し、
前記金属導体と前記半導体素子との間の電流経路となる前記配線パターンの配線長が短くなるように前記金属導体と前記半導体素子を配置した半導体装置。
【請求項２】
半導体素子と、
前記半導体素子の主電流が流れる外部端子を形成する金属導体と、
前記半導体素子が搭載される放熱部材と、
絶縁基板上に形成され、前記金属導体と前記放熱部材とを電気的に接続する導電性の配線パターンとを有し、
前記記金属導体と前記放熱部材との間の電流経路となる前記配線パターンの配線長が短くなるように前記金属導体と前記放熱部材とを配置した半導体装置。
【請求項３】
前記金属導体の側面と前記半導体素子または前記放熱部材の側面との間を導電性材料で埋めて前記金属導体と前記半導体素子または前記放熱部材との間の抵抗値を低減した請求項１または２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記導電性材料ははんだであり、前記金属導体と前記半導体素子または前記放熱部材の側面の上部にはんだ層が形成されるのを防止するレジストを設けた請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
前記金属導体は、前記半導体素子とワイヤボンディングされる第１の金属導体と、前記配線パターンにより前記半導体素子または前記放熱部材と電気的に接続される第２の金属導体とからなり、
前記第２の金属導体の端部を前記第１の金属導体の端部より前記半導体素子側に突出させ、前記第２の金属導体の端部と前記半導体素子または前記放熱部材との距離を短くした請求項１、２、または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、半導体素子の主電流が絶縁基板上に形成された配線パターンに流れる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の半導体素子がケースに封入された半導体モジュール、特に、比較的大きな電流が流れるパワー半導体モジュールでは、半導体素子の主電流が流れる電極と外部電極との間の配線パターンの抵抗値を小さくする必要がある。
例えば、図４に示す従来の半導体モジュール１１では、絶縁回路基板１２上に形成した銅パターン１３上にヒートスプレッダ１４をはんだ付けし、そのヒートスプレッダ１４の上に半導体チップ１５を搭載している。外部電極１７の一端は銅パターン１３にはんだ付けされ、外部電極Ｄ１７と外部電極Ｓ１８とは絶縁体１９により絶縁されている。
【０００３】
図４の半導体モジュール１１においては、例えば、外部電極１７から流入するドレイン電流が銅パターン１３を通り、さらにヒートスプレッダ１４を通って半導体チップ１５のドレイン電極に流れ込む。
半導体チップ１５と外部電極１８をワイヤボンディング１６する場合、ボンディング作業の制約から、外部電極１８と半導体チップ１５を所定距離離して配置する必要がある場合がある。一般に銅パターン１３の厚さは薄い（例えば、０．０７ｍｍ程度）ので、外部電極１７と半導体チップ１５との距離が長くなると、つまり銅パターン１３の配線長が長くなると、銅パターン１３に流れる電流による銅パターン１３の発熱量が多くなる。
【０００４】
銅パターン１３の発熱を防止するために、従来は、図４の半導体モジュール１１を上位面から見た図（上面視図）に示すように、銅パターン１３の幅（図４に矢印で示す垂直方向の長さ）を広くして断面積を増やしてした。つまり、ドレイン電流の流れる方向と直交する方向の幅を広くして、ドレイン電流の電流経路の断面積を増やしていた。
【０００５】
図５は、主電流による銅パターン１３の発熱を抑えるようにした他の半導体モジュール２１の構造を示す図である。
この半導体モジュール２１は、外部電極２２を半導体チップ１５の下部の位置まで延長させたものである。
【０００６】
図５の右側の側面図に示すように、外部電極２２の半導体チップ１５と対向する側の寸法を長くして、その上に半導体チップ１５をはんだ付け等により固定している。
この場合、外部電極２２から流れ込むドレイン電流は、半導体チップ１５の下部の外部電極２２から直接半導体チップ１５のドレイン電極に流れる込む。外部電極２２の厚さは、銅パターン１３に比べて厚くできるので、上記のような構造にすることで電流経路の断面積を大きくして銅パターン１３の発熱を抑えることができる。
【０００７】
また、特許文献１には、半導体素体搭載部２ａと主電極端子２ｂが一体になった金属フレーム２を設け、半導体素体搭載部２ａに半導体素体４を半田付けし、主電極端子２ｂを折り曲げて外部に導出する構造が開示されている。
特許文献１に記載された発明も、金属フレーム２を主電流が流れるので絶縁基板上に形成する導体パターンの発熱を抑えることができる。
【特許文献１】特公平８−１７１８８号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、図４に示すように銅パターン１３の幅を広くして断面積を大きすると、半導体モジュール１１の外形寸法が大きくなってしまうという問題点がある。
また、図５に示すように外部電極２２の上に半導体チップ１５を搭載するような構造にすると、銅パターン１３の幅は狭くできるが、全ての半導体チップ１５を搭載できるように、銅等からなる外部電極２２の外形寸法を大きくする必要があり、部品コストが高くなるという問題点がある。
【０００９】
本発明は、主電流が流れる配線パターンの温度上昇を抑え、かつ部品コストの上昇を抑えることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子の主電流が流れる外部端子を形成する金属導体と、絶縁基板上に形成され、前記金属導体と前記半導体素子とを電気的に接続する導電性の配線パターンとを有し、前記金属導体と前記半導体素子との間の電流経路となる前記配線パターンの配線長が短くなるように前記金属導体と前記半導体素子を配置する。
【００１１】
この発明によれば、半導体装置の外形寸法を大きくせずに、金属導体と半導体素子との間の配線パターンの配線長を短くし、半導体素子の主電流が流れる配線パターンの発熱を抑えることができる。
本発明の他の半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子の主電流が流れる外部端子を形成する金属導体と、前記半導体素子が搭載される放熱部材と、絶縁基板上に形成され、前記金属導体と前記放熱部材とを電気的に接続する導電性の配線パターンとを有し、前記記金属導体と前記放熱部材との間の電流経路となる前記配線パターンの配線長が短くなるように前記金属導体と前記放熱部材とを配置する。
【００１２】
この発明によれば、半導体装置の外形寸法を大きくせずに、放熱部材と金属導体との間の配線パターンの配線長を短くして、主電流が流れる配線パターンの温度上昇を抑えることができる。
上記の発明において、前記金属導体の側面と前記半導体素子または前記放熱部材の側面との間を導電性材料で埋めて前記金属導体と前記半導体素子または前記放熱部材との間の抵抗値を低減する。
【００１３】
このように構成することで、金属導体と放熱部材との間の抵抗値を小さくできる。これにより、配線パターンを流れる電流を少なくできるので、配線パターンの温度上昇を抑え、かつ半導体装置の外形寸法を小さくできる。
上記の発明において、前記導電性材料は、はんだであり、前記金属導体と前記半導体素子または前記放熱部材の側面の上部にはんだ層が形成されるのを防止するレジストを設ける。
【００１４】
このように構成することで、金属導体と半導体素子または放熱部材との隙間をはんだで埋めたときに、金属導体の上方、あるいは放熱部材（または半導体素子）の上面にはんだが回り込むのを防止できる。これにより、はんだ付けされた部分と、極性の異なる部分との絶縁距離を確保することができる。
【００１５】
上記の発明において、前記金属導体は、前記半導体素子とワイヤボンディングされる第１の金属導体と、前記配線パターンにより前記放熱部材と電気的に接続される第２の金属導体とからなり、前記第２の金属導体の端部を前記第１の金属導体の端部より半導体素子側に突出させ、前記第２の金属導体の端部と前記半導体素子または前記放熱部材との距離を短くする。
【００１６】
このように構成することで、ワイヤボンディング作業のために第１の金属導体と半導体素子との間に所定の距離を確保し、かつ第２の金属導体と半導体素子または放熱部材との間の距離を短くすることができる。これにより、配線パターンの温度上昇を抑え、かつ半導体装置の外形寸法を小さくできる。
【００１７】
例えば、第１の金属導体は、図３の外部電極３７に対応し、第２の金属導体は、図３の外部電極５２に対応する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、金属導体と半導体素子、あるいは放熱部材との間の配線パターンの配線長を短くできるので、配線パターンの温度上昇を抑え、かつ半導体装置の外形寸法を小さくできる。また、金属導体と半導体素子または放熱部材との間を導電性材料で埋めることで、金属導体と半導体素子または放熱部材との間の抵抗値を小さくし、配線パターンの温度上昇を抑え、かつ半導体装置の外形寸法を小さくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態のパワー半導体モジュール（半導体装置）３１の模式断面図である。
絶縁回路基板３２上には、銅パターン（導電性の配線パターン）３３が形成され、その銅パターン３３上にヒートスプレッダ（放熱部材）３４がはんだ付けされている。ヒートスプレッダ３４の上に半導体チップ（半導体素子）３５が搭載され、半導体チップ３５のドレイン電極とヒートスプレッダ３４は電気的に接続されている。ヒートスプレッダ３４は、半導体チップ３５の放熱のために設けられている。
【００２０】
外部電極Ｄ（金属導体、あるいは金属配線導体）３６の一端は銅パターン３３にはんだ付けされ、他端がパワー半導体モジュール（以下、半導体モジュールという）３１のケース（図示せず）の外部に引き出されて外部端子を形成する。外部電極Ｓ３７の一端は半導体チップ３５のソース電極とワイヤボンディングされ、他端がケースの外部に引き出されて外部端子を形成する。外部電極３６と外部電極３７は、樹脂にインサートされ、その樹脂の一部の絶縁体３８により絶縁されている。
【００２１】
半導体チップ３５が搭載された絶縁回路基板３２の上から樹脂のケースがかぶせられ、ケースと絶縁回路基板３２が接着されて半導体モジュール３１が形成される。
この第１の実施の形態では、例えば、ワイヤボンディング等の作業による制約が少ない場合に、外部電極３６の側面３６ａと、ヒートスプレッダ３４の側面３４ａとの距離ａ（図１の水平方向の距離ａ）が短くなるように外部電極３６とヒートスプレッダ３４を配置する。
【００２２】
このように配置することで、外部電極３６とヒートスプレッダ３４との間の銅パターン３３の配線長（距離ａ）が短くなるので、外部電極３６とヒートスプレッダ３４との間の銅パターン３３の抵抗値が小さくなる。これにより、ドレイン電流が流れたときの銅パターン３３の温度上昇を抑えることができる。また、外部電極３６とヒートスプレッダ３４との間の銅パターン３３の配線長を短くすることで、銅パターン３３の幅（ドレイン電流の流れる方向と直交する方向の長さ）を広くする必要がなくなるので、半導体モジュール３１の外形寸法を小さくできる。
【００２３】
次に、図２は、本発明の第２の実施の形態の半導体モジュール４１の模式断面図である。図２において、図１と同じ部分には同じ符号をつけて、それらの説明は省略する。
この第２の実施の形態は、外部電極３６の側面３６ａとヒートスプレッダ３４の側面３４ａとの間の隙間をはんだ（導電性材料）４２で埋めて、外部電極３６とヒートスプレッダ３４との間の抵抗値を小さくしたものである。
【００２４】
上記の構造の半導体モジュール４１において、外部電極３６から流入するドレイン電流は、銅パターン３３とはんだ４２を通ってヒートスプレッダ３４に流れ込む。このとき、はんだ４２の厚さ（図２の垂直方向の寸法）は、銅パターン３３に比べて厚いので、ドレイン電流の大部分がはんだ４２を通ってヒートスプレッダ３４に流れ込む。さらに、ヒートスプレッダ３４を通って半導体チップ３５のドレイン電極に流れ込む。これにより、外部電極３６とヒートスプレッダ３４との間の銅パターン３３に流れるドレイン電流が減少するので、銅パターン３３の温度上昇を抑えることができる。
【００２５】
この第２の実施の形態によれば、外部電極３６とヒートスプレッダ３４との間の隙間をはんだ４２で埋めることで、外部電極３６からヒートスプレッダ３４に向かって流れ込むドレイン電流の電流経路の断面積を増やすことができる。これにより、はんだ４２の部分を流れる電流を増やし、外部電極３６とヒートスプレッダ３４との間の銅パターン３３に流れる電流を減らすことができる。よって、銅パターン３３の温度上昇を抑えることができる。また、外部電極３６とヒートスプレッダ３４との間の銅パターン３３の配線長を短くすることで、銅パターン３３の幅（ドレイン電流の流れる方向と直交する方向の長さ）を広くする必要がなくなるので、半導体モジュール４１の外形寸法を小さくできる。
【００２６】
なお、外部電極３６とヒートスプレッダ３４との隙間をはんだ４２で埋める際に、外部電極３６の側面３６とヒートスプレッダ３４の側面３４ａに金属メッキを施し、さらにそれぞれの側面の上部にはんだレジストを施すようにしてもよい。
上記のように側面の上部にレジストを施すことにより、外部電極３６とヒートスプレッダ３４の隙間をはんだで埋める際に、はんだ４２が外部電極３７の上方やヒートスプレッダ３４の上面に回り込むのを防止できる。
【００２７】
次に、図３は、本発明の第３の実施の形態の半導体モジュール５１の模式断面図である。図３において、図１と同じ部分には同じ符号をつけてそれらの説明は省略する。
この第３の実施の形態は、外部電極５２の端部５２ｂをヒートスプレッダ３４側に延出させ、外部電極５２の側面５２ａとヒートスプレッダ３４の側面３４ａとの距離ａを短くしたものである。
【００２８】
図３に示すように、下側の外部電極５２の端部５２ｂの先端が、外部電極３７の端部３７ａの先端より半導体チップ３５の方向（図３の正面から見て水平方向右側）に突出するようにしてある。
このような構造にすることで、ワイヤボンディング５３が行われる外部電極３７の端部３７ａと半導体チップ３５の端部との間に一定の距離を確保し、かつ外部電極５２の側面５２ａとヒートスプレッダ３４の側面３４ａとの距離ａを短くすることができる。
【００２９】
第３の実施の形態においては、下側の外部電極５２の端部５２ｂの水平方向の寸法を長くし、上側の外部電極３７の寸法はそれより短くしてあるので、半導体チップ３５と上側の外部電極３７の端部３７ａとをワイヤボンディング５３するときに、外部電極３７と半導体チップ１５との距離を充分に確保することができる。これにより、ボンディング作業の制約で両者の距離を一定以上離す必要がある場合でも、ドレイン電流が流れる外部電極５２とヒートスプレッダ３４との距離を短くすることができる。
【００３０】
この第３の実施の形態によれば、外部電極３７と半導体チップ３５との間に一定の距離を確保し、かつ同じ主電流が流れる外部電極５２とヒートスプレッダ３４との間の距離を短くすることができる。これにより、外部電極３７とヒートスプレッダ３４との間の銅パターン３３の抵抗値を小さくし、銅パターン３３の温度上昇を抑えることができる。また、外部電極３６とヒートスプレッダ３４との距離を短くでき、しかも銅パターン３３の幅（電流の流れる方向と直交する方向の長さ）を広くする必要がないので、半導体モジュール４１の外形寸法を小さくできる。
【００３１】
この第３の実施の形態において、外部電極５２とヒートスプレッダ３４との間の隙間をはんだ４２で埋めるようにしても良い。
このように構成することで、外部電極５２とヒートスプレッダ３４との間の電流経路の断面積を増やし、抵抗値をさらに小さくできる。
【００３２】
本発明は、上述した実施の形態に限らず、以下のように構成しても良い。
第１〜第３の実施の形態は、半導体チップ３５の放熱のためにヒートスプレッダ３４を設けているが、半導体チップ３５を銅パターン３３上に直接はんだ付けしても良い。その場合、半導体チップ３５の側面と外部電極３６，５２の側面との距離を短くすれば良い。
【００３３】
第２の実施の形態において、外部電極３６とヒートスプレッダ３４の隙間を埋める材料は、はんだ４２に限らず、導電性の材料で銅等からなる外部電極３６とヒートスプレッダ３４、あるいは半導体チップ３５と低い接触抵抗で接続できる材料であればどのような材料でも良い。
【００３４】
また、外部電極３６とヒートスプレッダ３４の側面に施すレジストは、はんだレジストに限らず、使用する導電材料に応じたレジストを使用すれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１の実施の形態の半導体モジュールの模式断面図である。
【図２】第２の実施の形態の半導体モジュールの模式断面図である。
【図３】第３の実施の形態の半導体モジュールの模式断面図である。
【図４】従来の半導体モジュールの模式断面図である。
【図５】従来の半導体モジュールの模式断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１１，２１    半導体モジュール
１２          絶縁回路基板
１３          銅パターン
１４          ヒートスプレッダ
１５          半導体チップ
１６          ワイヤボンディング
１７，１８    外部電極
３１，４１，５１    半導体モジュール
３２          絶縁回路基板
３３          銅パターン
３４          ヒートスプレッダ
３５          半導体チップ
３６、３７、５２      外部電極
【図１】
2005142189.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005142189.tif 000006
【図５】
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