(57)【要約】【課題】  本発明は、半導体素子の電流路である主電極および金属パターンを、高周波インダクタンスのより小さい構成部品と置換することにより、これらの構成部品から生じる通電駆動時のジュール熱を低減して、半導体装置に加わる熱ストレスを極力抑えた、エネルギーロスの少ない高信頼性の半導体装置を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明の半導体装置は、絶縁基板と、絶縁基板上に固着された、複数の金属線からなる網目状の第１の金属網線（金属網線パターン）と、導電性接着材を介して第１の金属網線上に実装された半導体素子と、を備える。また、半導体装置は、複数の金属線からなる網目状の第２の金属網線（主電極）と、導電性接着材を介して第２の金属網線上に固着された導電板と、導電板と半導体素子を電気的に接続するための金属ワイヤと、を備える。【選択図】図２
2005260045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置であって、
絶縁基板と、
前記絶縁基板上に固着された、複数の金属線からなる網目状の第１の金属網線と、
導電性接着材を介して前記第１の金属網線上に実装された半導体素子と、を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体装置であって、
複数の金属線からなる網目状の第２の金属網線と、
導電性接着材を介して前記第２の金属網線上に固着された導電板と、
前記導電板と半導体素子を電気的に接続するための金属ワイヤと、を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
半導体装置であって、
絶縁基板と、
前記絶縁基板上に固着された、複数の金属線からなる網目状の第１の金属網線と、
導電性接着材を介して前記第１の金属網線上に固着された導電板と、
前記導電板上に実装された半導体素子と、を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一に記載の半導体装置であって、
前記第１または第２の金属網線の少なくとも一部において平坦化された領域を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれか一に記載の半導体装置であって、
前記導電性接着材は、半田、導電性樹脂、または導電性両面テープからなることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータやヒータなどの大電流を用いる電子機器を制御するための半導体装置に関し、とりわけ、より小さい高周波インダクタンスを有する電流路を含む半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、より大きな電力（より大きな電流）を制御する高信頼性の電力用半導体装置（パワーモジュール）に対する要請はますます大きくなっている。一方、パワーモジュールを構成する半導体素子およびその周辺部品から生じるジュール熱（電気抵抗による熱）は、これらに流れる電流の二乗に比例して大きくなる。したがって、こうしたジュール熱をできるだけ抑えることにより、パワーモジュールの動作時／非動作時あるいは低出力時／高出力時の温度格差（ひいては半導体装置に加わる熱ストレス）を極力小さくして、より信頼性の高いパワーモジュールを提供することが望まれている。
【０００３】
半導体素子は、通常、高周波スイッチング駆動するように構成されており、パワーモジュールの高周波インダクタンスを低減することが、ジュール熱を低減することに寄与する。半導体素子そのものの構成および材質等を改善することにより、半導体素子の高周波インダクタンスを低減する研究が進められている一方、半導体素子の電流供給路であるアルミワイヤなどの周辺部品が有する高周波インダクタンスを低減するためのいくつかの提案がなされている。
【０００４】
一般に、周波数の低い電流（直流を含む）は導体内を一様に流れるが、周波数の高い電流は導体の表皮に集中して流れることが知られている（表皮効果）。換言すると、表面積が大きいほど、電流路としての高周波インダクタンスは小さくなる。これを応用して、例えば、特開２００３−３７１３０公報によれば、３本撚り線構造のボンディングワイヤを用いて、単位断面積当たりの表面積を大きくして、高周波インダクタンスを低減することが開示されている。
【特許文献１】特開２００３−３７１３０公報
【０００５】
また、例えば、特開２００３−２４３６０７公報の図９で開示された先行技術のように、半導体素子１２０に流れる高周波電流は、主電極１１１、金属ワイヤ１２３、および金属パターン１１４ａなどを流れる。すなわち、金属ワイヤのみならず、主電極および金属パターンの高周波インダクタンスを低減することにより、同様に、パワーモジュール全体の高周波インダクタンスを低減することが可能である。
【特許文献２】特開２００３−２４３６０７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明は、半導体素子の電流路である主電極および金属パターンを、より小さい高周波インダクタンスを有する構成部品と置換することにより、これらの構成部品から生じる通電駆動時のジュール熱を低減して、パワーモジュールに加わる熱ストレスを極力抑えた、エネルギーロスの少ない高信頼性のパワーモジュールを提供することを目的とする。さらに、高周波インダクタンスをより小さくできるので、同一電流を流すための電流路としての主電極および金属パターンの断面寸法を小さくして、より安価に製造できる構成部品を用いた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】
【０００７】
本発明の１つの態様による半導体装置は、絶縁基板と、絶縁基板上に固着された、複数の金属線からなる網目状の第１の金属網線と、導電性接着材を介して第１の金属網線上に実装された半導体素子と、を備える。
【０００８】
本発明の別の態様による半導体装置は、複数の金属線からなる網目状の第２の金属網線と、導電性接着材を介して第２の金属網線上に固着された導電板と、導電板と半導体素子を電気的に接続するための金属ワイヤと、を備える。
【０００９】
本発明のさらに別の態様による半導体装置は、絶縁基板と、絶縁基板上に固着された、複数の金属線からなる網目状の第１の金属網線と、導電性接着材を介して第１の金属網線上に固着された導電板と、導電板上に実装された半導体素子と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、通電駆動時のジュール熱を低減し、エネルギーロスの少ない高信頼性の半導体装置を提供することができる。また、本発明によれば、電流路の断面寸法を小さくして、より安価な半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して本発明に係る半導体装置の実施の形態を説明する。各実施の形態の説明において、理解を容易にするために方向を表す用語（例えば、「上側」、「下側」、「上下方向」、および「水平方向」など）を適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本発明を限定するものでない。
【００１２】
実施の形態１．
ここで図１および図２を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の実施の形態１について以下に説明する。図１に示すパワーモジュール１は、概略、樹脂などの絶縁材料からなるケース５と、良好な熱伝導性を有する銅などの金属板からなる金属ベース板６と、を備えている。ケース５は金属ベース板６上に固定され、金属ベース板６は金属放熱フィン７上に固定されている。また、パワーモジュール１は、ケース５の上面から内部に延びる複数の主電極１０と、金属パターン２２，２４が両面に形成された絶縁基板２０と、少なくとも１つの半導体素子（例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）３０ａ、およびフリーホイールダイオード（ＦＷＤ）３０ｂ）と、を有する。このとき、主電極１０および金属パターン２２，２４は、パワーモジュール１の電流路となる。
【００１３】
絶縁基板２０の下側に形成された金属パターン２２は、半田などの導電性接着材２３を介して金属ベース板６上に固定され、半導体素子３０ａ，３０ｂは、同様に、半田などの導電性接着材３３を介して絶縁基板２０の上側金属パターン２４上に実装されている。
【００１４】
なお、図１に示すように、絶縁基板２０および半導体素子３０ａ，３０ｂの上方には、金属ワイヤ１２および半導体素子３０ａ，３０ｂを保護するために、シリコンゲル８が充填され（分かりやすくするために、ハッチングを省略した。）、エポキシ樹脂を用いてその上方が封止され、さらにその上方に蓋９が設けられる。
【００１５】
本発明のパワーモジュール１によれば、絶縁基板２０の下側に配置された金属パターン２２は、板状の金属からなる金属板パターンであるが、その上側に配置された金属パターン２４は、図２に示すように、複数の金属線を編み込んで形成された網目状の金属網線パターン（第１の金属網線）として構成されている。金属網線パターン２４を構成する金属線は、好適には銅からなるが、他の導電性金属であってもよい。
【００１６】
こうして、構成された半導体装置１において、半導体素子３０ａ，３０ｂは、主電極１０からアルミなどの金属ワイヤ１２を介して電源供給され、このとき実質的な高周波電流は金属網線パターン２４を水平方向に流れ、絶縁基板２０の上側に配置された金属網線パターン２４からもジュール熱が発生する。
【００１７】
しかしながら、本発明による金属網線パターン２４は、板状の金属パターンと比して、表面積が格段に大きくなるように構成されているので、表皮効果により、高周波インダクタンスが著しく低減される。これにより、金属網線パターン２４から生じるジュール熱を最小限に抑えて、エネルギーロスの低減することができる。また、半導体装置の動作時／非動作時あるいは低出力時／高出力時の温度格差（ひいては半導体装置に加わる熱ストレス）をできるだけ小さくして、より信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００１８】
ところで、一般に、通電駆動時に生じるジュール熱により、ＩＧＢＴ３０ａおよびＦＷＤ３０ｂは、高温となり、水平方向に実質的に膨張する一方、絶縁基板２０は、その線膨張係数が半導体素子３０ａ，３０ｂより小さいので、半導体素子３０ａ，３０ｂほど膨張しない。すなわち、半導体素子３０ａ，３０ｂと絶縁基板２０との間の熱膨張の度合いが異なるために、半導体素子３０ａ，３０ｂと絶縁基板２０との間に応力ストレスが生じる。しかしながら、本発明による金属網線パターン２４によれば、上下方向および水平方向において金属線間に空隙が形成されているため、板状の金属パターンとは異なり、空隙において応力ストレスを実質的に吸収することができる。したがって、本発明の金属網線パターン２４を用いた半導体装置１によれば、絶縁基板２０に伝わる応力ストレスを低減して、絶縁基板２０にクラックが生じるといった不具合を防止することができ、この点においても、信頼性の極めて高い半導体装置を実現することができる。
【００１９】
なお、本発明の絶縁基板２０の金属網線パターン２４は、表面積を増大させるものであれば、他の任意の構成を有していてもよい。例えば、金属網線パターン２４は、図示したように必ずしも金属線を格子状に編み込む必要はなく、ランダムに配置された金属線を押圧成形した金属メッシュであってもよい。また、金属網線パターン２４を、多孔質金属で構成してもよい。
【００２０】
上述の通り、半導体素子３０ａ，３０ｂは、半田などの適当な導電性接着剤を介して、絶縁基板２０の金属網線パターン２４上に直接的に実装されるが、半田の他、例えば、導電性樹脂を用いて金属網線パターン２４上に実装してもよい。ただし、半田および導電性樹脂を用いた場合、これらが金属網線パターン２４の金属線間に空隙に充填されることがあるので、好適には、半導体素子３０ａ，３０ｂは、導電性両面テープを介して、金属網線パターン２４上に実装される。これにより、金属網線パターン２４の金属線間に空隙を維持して（表面積を大きく維持して）、金属網線パターン２４が本来有する高周波インダクタンスを増大させることなく、発生するジュール熱量を抑えた信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００２１】
同様に、図２に示す半導体装置１において、主電極１０を複数の金属線を用いた金属網線（第２の金属網線）として構成することが好ましい。上述のように、主電極１０は、金属線を格子状に編み込むか、ランダムに配置された金属線を押圧成形することにより構成される。また、多孔質金属を用いて主電極１０を構成してもよい。このように構成された主電極１０は、板状の主電極と比して、表面積が格段に増大するので、表皮効果により、高周波インダクタンスが著しく低減される。こうして、主電極１０から生じるジュール熱を最小限に抑えて、エネルギーロスが低減された信頼性の高い半導体装置を提供することができる。さらに、同一電流を流すための電流路としての主電極１０の断面寸法を小さくできるので、より安価な主電極１０を有する半導体装置を提供することができる。
【００２２】
実施の形態２．
図３を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の実施の形態２について以下に説明する。実施の形態２のパワーモジュール２は、導電板４０ａ，４０ｂを追加する点を除いて、実施の形態１のパワーモジュール１と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。
【００２３】
実施の形態１の半導体素子３０ａ，３０ｂは、金属網線パターン２４の上に直接的に実装されたが、実施の形態２によれば、図３に示すように、導電性金属（例えば、銅、アルミニウムなど）からなる導電板４０ａを、適当な導電性接着材を用いて、金属網線パターン２４上に固着させる。金属網線パターン２４上に導電板４０ａを設けることにより、半導体素子３０ａを実装しやすくするとともに、ダイボンド強度を改善することができる。同様に、金属網線からなる主電極１０上に導電板４０ｂを設けることにより、金属ワイヤ１２をワイヤボンディングしやすくするとともに、ワイヤボンド強度を増大させることができる。このように、実施の形態２によれば、ダイボンディング強度およびワイヤボンディング強度を向上させ、さらに信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
なお、導電板４０ａ，４０ｂを金属網線パターン２４および主電極１０の上に固着させるための導電性接着材は、実施の形態１と同様に、半田の他、導電性樹脂であってもよく、好適には、導電性両面テープである。
【００２４】
実施の形態３．
図４を参照しながら、本発明に係るパワーモジュール（半導体装置）の実施の形態３について以下に説明する。実施の形態３のパワーモジュール３は、金属網線パターン２４および主電極１０の少なくとも一部において平坦化された領域が形成された点を除いて、実施の形態１のパワーモジュール１と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。
【００２５】
ダイボンディング強度およびワイヤボンディング強度を向上させるために、実施の形態２においては、導電板４０ａ，４０ｂが設けられたが、実施の形態３によれば、図４に示すように、金属網線パターン２４および主電極１０の少なくとも一部にそれぞれ平坦化領域４５ａ，４５ｂが形成される。平坦化領域４５ａ，４５ｂは、当業者ならば容易に理解される任意の手法で形成されるが、例えば、金属網線パターン２４および主電極１０の少なくとも一部を高い圧力で押し潰すことにより形成される。こうして、導電板４０ａ，４０ｂを用いることなく、ダイボンディング強度およびワイヤボンディング強度を向上させることができるので、部品点数を削減することにより、作業性が改善されるとともに、コストを下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１による半導体装置の断面図である。
【図２】図２は、図１に示す半導体装置の斜視図であって、金属網線からなる金属パターンおよび主電極を示す。
【図３】図３は、本発明の実施の形態２による半導体装置の斜視図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態３による半導体装置の斜視図である。
【符号の説明】
【００２７】
１，２，３  パワーモジュール（半導体装置）、５  ケース、６  金属ベース板、７  金属放熱フィン、８  シリコンゲル、９  蓋、１０  主電極（第２の金属網線）、１２  金属ワイヤ、２０  絶縁基板、２２板状金属パターン、２３  導電性接着材、２４金属網線パターン（第１の金属網線）、３０ａ  ＩＧＢＴ、３０ｂ  ＦＷＤ、４０ａ，４０ｂ  導電板、４５ａ，４５ｂ  平坦化領域。
【図１】
2005260045.tif 000003
【図２】
2005260045.tif 000004
【図３】
2005260045.tif 000005
【図４】
2005260045.tif 000006