(57)【要約】【課題】可撓性回路基板を金属基板の縁部から適切に保護することができる半導体装置の提供。【解決手段】本発明による半導体装置１は、金属基板と、金属基板上に配置される半導体素子と、金属基板上に一端が配置され、半導体素子と電気的に接続される可撓性回路基板であって、金属基板の縁部を越えて金属基板の外側に延在する可撓性回路基板とを含み、可撓性回路基板における金属基板の縁部上に位置する部位には、金属基板側に板厚付加部材が結合されることを特徴とする。【選択図】図２
2013098465.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基板と、
前記金属基板上に配置される半導体素子と、
前記金属基板上に一端が配置され、前記半導体素子と電気的に接続される可撓性回路基板であって、前記金属基板の縁部を越えて前記金属基板の外側に延在する可撓性回路基板とを含み、
前記可撓性回路基板における前記金属基板の縁部上に位置する部位には、前記金属基板側に板厚付加部材が結合されることを特徴とする、半導体装置。
【請求項２】
前記板厚付加部材は、前記可撓性回路基板における基板材料と同一の材料から構成される、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記可撓性回路基板は、前記半導体素子とボンディングワイヤにより接続される、請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記金属基板は、打ち抜きにより形成され、
前記可撓性回路基板は、前記金属基板における前記打ち抜き時にバリが生じる側に設けられ、
前記板厚付加部材の板厚は、前記金属基板におけるバリの高さよりも大きい、請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
可撓性回路基板を備える半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、放熱体に接しているセラミックス基板と、セラミックス基板に接している金属部材と、該金属部材の上に搭載された電子部品と、セラミックス基板より外側に配置され、電子部品とボンディングワイヤで電気的に接続され、外部に通じる電極（制御端子）と、を有する半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−０８８２１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の特許文献１に記載の技術のように、制御端子を介して電子部品を外部と電気的に接続する構成では、基板より外側に制御端子が配置されるので、半導体装置のサイズが大きくなるという問題点がある。
【０００５】
この点、基板上に可撓性回路基板を直接取り付けることで、基板上の半導体素子と外部との電気的接続を実現する構成では、半導体装置のサイズを小さくできる点で有利である。しかしながら、かかる構成では、可撓性回路基板を基板の縁部から適切に保護する必要がある。
【０００６】
そこで、本発明は、可撓性回路基板を金属基板の縁部から適切に保護することができる半導体装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の一局面によれば、金属基板と、
前記金属基板上に配置される半導体素子と、
前記金属基板上に一端が配置され、前記半導体素子と電気的に接続される可撓性回路基板であって、前記金属基板の縁部を越えて前記金属基板の外側に延在する可撓性回路基板とを含み、
前記可撓性回路基板における前記金属基板の縁部上に位置する部位には、前記金属基板側に板厚付加部材が結合されることを特徴とする、半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、可撓性回路基板を金属基板の縁部から適切に保護することができる半導体装置の提供が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施例による半導体装置１の要部を示す斜視図である。
【図２】半導体装置１の主要断面図である。
【図３】ＦＰＣ９０の単品状態の断面図である。
【図４】他の実施例によるＦＰＣ９０の単品状態の断面図である。
【図５】ワイヤボンディングツールを用いたワイヤボンディング時の状態を模式的に示す図である。
【図６】打ち抜きにより形成されるヒートスプレッダ２０の縁部のバリを模式的に示す図である。
【図７】プレス成形されたヒートスプレッダに、上述の補強材９２を備えていない比較例によるＦＰＣを取り付ける様子を示す図である。
【図８】本実施例によるＦＰＣ９０をプレス成形されたヒートスプレッダ２０に取り付ける様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
【００１１】
図１は、本発明の一実施例による半導体装置１の要部を示す斜視図である。図２は、半導体装置１の主要断面図である。図３は、ＦＰＣ９０の単品状態の断面図である。尚、図１においては、都合上、図２に示されている半導体装置１の絶縁層３０及びヒートシンク４０についての図示が省略されている。
【００１２】
尚、半導体装置１の上下方向は、半導体装置１の搭載状態に応じて上下方向が異なるが、以下では、便宜上、半導体装置１のヒートスプレッダ２０に対して半導体チップ１０側を上方とする。また、用語の定義として、「外側」及び「内側」とは、ヒートスプレッダ２０の上面に垂直な面直視でヒートスプレッダ２０の中心を基準とする。即ち、「外側」とは、面直視でヒートスプレッダ２０の中心から離れる側を指す。尚、ヒートスプレッダ２０の中心は凡そであればよく、厳密に決定されるべき性質のものでない。
【００１３】
半導体装置１は、例えば、ハイブリッド車又は電気自動車で使用されるモータ駆動用のインバータを構成するものであってよい。
【００１４】
半導体装置１は、図1及び図２に示すように、半導体チップ１０と、ヒートスプレッダ２０と、絶縁層３０と、ヒートシンク４０と、ＦＰＣ（flexible  printed  circuit）９０とを含む。
【００１５】
半導体チップ１０は、パワー半導体素子を含む。半導体チップ１０は、ヒートスプレッダ２０上に半田５０により接合される。図示の例では、半導体チップ１０は、１つのヒートスプレッダ２０に対して２つ設けられ、それぞれ、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）と、ＦＷＤ（Free  Wheeling  Diode）である。この場合、ＩＧＢＴは、上面にエミッタ電極を備え、下面にコレクタ電極を備える。また、ＦＷＤは、上面にアノード電極を備え、下面にカソード電極を備える。尚、半導体チップ１０が含むパワー半導体素子の種類や数は、任意である。また、半導体チップ１０は、ＩＧＢＴに代えて、ＭＯＳＦＥＴ（Metal  Oxide  Semiconductor  Field-Effect  Transistor)のような他のスイッチング素子を含んでもよい。
【００１６】
半導体チップ１０の上面には、第１接続端子１２が半田５０により固着（接合）される。図示の例では、第１接続端子１２のそれぞれの脚部の下端は、それぞれ、ＩＧＢＴのエミッタ電極と、ＦＷＤのアノード電極に半田５０により接合される。第１接続端子１２の上部は、バスバー（図示せず）に例えばレーザ溶接により接合されてもよい。
【００１７】
ヒートスプレッダ２０は、半導体チップ１０で発生する熱を吸収し拡散する部材である。ヒートスプレッダ２０は、例えば銅、アルミなどの熱拡散性の優れた金属から形成される。本例では、一例として、ヒートスプレッダ２０は、銅により形成される。銅としては、伝導率が銅材の中で最も高い無酸素銅(C1020)が好適である。
【００１８】
ヒートスプレッダ２０の上面には、第２接続端子１４が半田等により接合される。尚、ヒートスプレッダ２０には、半導体チップ１０としてのＩＧＢＴのコレクタ電極（及び半導体チップ１０としてのＦＷＤのカソード電極）が接続されるので、第２接続端子１４は、ＩＧＢＴのコレクタ電極の取り出し部を構成する。第２接続端子１４は、第１接続端子１２と同様、バスバー（図示せず）に例えばレーザ溶接により接合されてもよい。
【００１９】
絶縁層３０は、樹脂接着剤や樹脂シートから構成されてよい。絶縁層３０は、例えばアルミナをフィラーとした樹脂で形成されてもよい。絶縁層３０は、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０の間に設けられ、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０に接合する。絶縁層３０は、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０との間の電気的な絶縁性を確保しつつ、ヒートスプレッダ２０からヒートシンク４０への高い熱伝導性を確保する。
【００２０】
ヒートシンク４０は、熱伝導性の良い材料から形成され、例えば、アルミなどの金属により形成される。ヒートシンク４０は、図２に示すように、下面側にフィン４２を備える。フィン４２の数や配列態様は任意である。フィン４２は、図示のようなストレートフィンであってもよいし、その他、ピンフィンの千鳥配置等で実現されてもよい。半導体装置１の実装状態では、フィン４２は、冷却水や冷却空気のような冷却媒体と接触する。このようにして、半導体装置１の駆動時に生じる半導体チップ１０からの熱は、ヒートスプレッダ２０、絶縁層３０を介して、ヒートシンク４０のフィン４２から冷却媒体へと伝達され、半導体装置１の冷却が実現される。
【００２１】
ＦＰＣ９０は、図１及び図２に示すように、ヒートスプレッダ２０上に一端が取り付けられる。ＦＰＣ９０は、ヒートスプレッダ２０上に例えば接着剤により接合されてもよい。図示の例では、ＦＰＣ９０は、ヒートスプレッダ２０側に、幅広の端部９０ａを有し、この端部９０ａがヒートスプレッダ２０上に接合される。図示の例では、ＦＰＣ９０の端部９０ａは、ヒートスプレッダ２０上における半導体チップ１０に隣接する領域に接合される。また、ＦＰＣ９０は、図１及び図２に示すように、端部９０ａから他端側へと延在する部位がヒートスプレッダ２０の縁部を越えてヒートスプレッダ２０の外側へと延出する態様で、配置される。
【００２２】
ＦＰＣ９０は、図１及び図２に示すように、ヒートスプレッダ２０上でボンディングワイヤ８０により半導体チップ１０に接続される。図示の例では、ＦＰＣ９０は、ボンディングワイヤ８０によりＩＧＢＴ（半導体チップ１０の一例）に電気的に接続される。ＦＰＣ９０は、複数個のボンディングワイヤ８０で半導体チップ１０に接続されてもよい。複数個のボンディングワイヤ８０は、例えば、ＩＧＢＴのスイッチング用の制御線（ゲート信号線、エミッタ信号線）や、チップ温度検出用の線、センス端子等を形成するものであってよい。
【００２３】
ＦＰＣ９０は、図３に示すように、ＦＰＣ本体９１と、補強材９２とを含む。ＦＰＣ本体９１は、例えば２０μｍ程度の板厚であってよい。ＦＰＣ本体９１の上面（ヒートスプレッダ２０に接合される側とは逆側の表面）には、ボンディングワイヤ８０に接続される配線（図示せず）が形成（プリント）される。補強材９２は、ＦＰＣ本体９１の下面に接合される。補強材９２は、ＦＰＣ本体９１の下面に接着剤により貼り付けられてもよい。補強材９２は、図２に示すように、ＦＰＣ９０におけるヒートスプレッダ２０の縁部上に位置する部位に設けられる。これにより、ヒートスプレッダ２０の縁部によるＦＰＣ９０のＦＰＣ本体９１の損傷（ひいては配線の損傷）を防止することができる。この観点から、補強材９２は、ＦＰＣ９０におけるヒートスプレッダ２０の縁部上に位置する部位の全体に亘って設けられる。図示の例では、補強材９２は、ＦＰＣ９０における広幅の端部９０ａの全体に設けられてよい。
【００２４】
補強材９２は、ヒートスプレッダ２０の縁部からＦＰＣ本体９１（ひいては配線）を保護するのに適切な構成を有する。この観点から、補強材９２は、好ましくは、ＦＰＣ本体９１よりも大きい板厚を有する。補強材９２は、例えば２００μｍ程度の板厚であってよい。また、補強材９２は、上記の保護機能を備える限り、任意の材料から構成されてよいが、好ましくは、ＦＰＣ本体９１と同一の材料（例えばポリイミド）から形成される。
【００２５】
このように本実施例によれば、ＦＰＣ９０がヒートスプレッダ２０上に接合されるので、ヒートスプレッダ２０よりも外側に制御端子を設ける場合に比べて、当該制御端子に関連したスペースが不要となり、半導体装置１の小型化を図ることができる。また、ＦＰＣ９０をヒートスプレッダ２０上に接合する場合、上述のように半導体装置１の小型化を図ることができる利点がある反面、ヒートスプレッダ２０の縁部によるＦＰＣ本体９１の損傷（ひいては配線の損傷）の虞があるが、本実施例によれば、補強材９２がＦＰＣ本体９１におけるヒートスプレッダ２０の縁部上に位置する部位に設けられるので、ヒートスプレッダ２０の縁部からＦＰＣ本体９１（ひいては配線）を適切に保護することができる。
【００２６】
尚、図４に示すように、ＦＰＣ９０は、ヒートスプレッダ２０側の端部９０ａとは逆の他端側にも、補強材９２と同様の補強材９３を備えてもよい。このような補強材９３は、図４に示すように、ＦＰＣ９０の他端側をコネクタに接合させるときに必要とされてよい。他言すると、コネクタに接合させるときに使用される補強材９３と同様の素材により、補強材９２を形成することできる。この場合、コストの増加なしに補強材９２を備えるＦＰＣ９０を製造することができる。
【００２７】
ここで、上述の実施例は、以下で図５を参照して説明するように、特に、ＦＰＣ９０がボンディングワイヤ８０により半導体チップ１０に接続される場合に好適である。
【００２８】
図５は、ワイヤボンディングツールを用いたワイヤボンディング時の状態を模式的に示す図であり、図５（Ａ）は、上述の補強材９２を備えていない比較例によるＦＰＣを使用した場合を示し、図５（Ｂ）は、本実施例の場合を示す。
【００２９】
図５（Ａ）に示すように、ワイヤボンディングツールを用いたワイヤボンディング時には、ワイヤボンディングツールによりボンディングワイヤ８０のＦＰＣ側端部をＦＰＣに結合する際、ＦＰＣにはワイヤボンディングツールから荷重がかけられる。この際、ＦＰＣにおけるヒートスプレッダの縁部（角）上に位置する部位（特に、図５（Ａ）の矢印Ｙで指示される部位）は応力集中しやすくなる。
【００３０】
この点、比較例によれば、ＦＰＣが補強材９２を備えていないので、ＦＰＣにおけるヒートスプレッダの縁部上に位置する部位に高応力が発生し、当該部位おける配線パターンに損傷が生じやすくなる。このため、このような比較例では、ワイヤボンディングツール用に十分なスペースを確保する必要性（ボンディングワイヤ８０のＦＰＣ側接続位置とヒートスプレッダ２０の縁部との間に十分な距離を確保する必要性）が生じ、それに伴い半導体装置のサイズの大型化を招く。
【００３１】
これに対して、本実施例によれば、ＦＰＣ９０は、上述の如く、ヒートスプレッダ２０の縁部上に位置する部位に補強材９２を備えているので、ワイヤボンディングツールを用いたワイヤボンディング時においても、ＦＰＣ９０に発生する応力を効果的に低減することができ、ＦＰＣ９０上の配線パターンの損傷を効果的に防止することができる。従って、本実施例によれば、ボンディングワイヤ８０のＦＰＣ９０側接続位置をヒートスプレッダ２０の縁部の近傍に設定することで、半導体装置１の小型化を図りつつ、ワイヤボンディングツールを用いたワイヤボンディング時に配線パターンの損傷が生じるのを防止することができる。
【００３２】
また、上述の実施例は、以下で図６乃至図８を参照して説明するように、ヒートスプレッダ２０が打ち抜きにより形成される場合に好適である。
【００３３】
図６は、打ち抜きにより形成されるヒートスプレッダ２０の縁部のバリを模式的に示す図である。図６に示すように、ヒートスプレッダ２０をプレスで打ち抜くことで形成する場合、ヒートスプレッダ２０の縁部には、バリ（プレスバリ）が発生する。このバリは、典型的には、３０〜４０μｍの高さを有する。尚、バリは、典型的には、ヒートスプレッダ２０の周縁部の全周に亘って形成される。
【００３４】
図７は、プレス成形されたヒートスプレッダに、上述の補強材９２を備えていない比較例によるＦＰＣを取り付ける様子を示す図である。図８は、本実施例によるＦＰＣ９０をプレス成形されたヒートスプレッダ２０に取り付ける様子を示す図である。
【００３５】
ＦＰＣは、ヒートスプレッダにおけるバリが発生する側の表面に接着剤により取り付けられる。尚、これにより、ヒートスプレッダにおけるバリが発生しない側を、絶縁層を介してヒートシンクに接合させることができる。
【００３６】
この点、比較例によるＦＰＣは、厚さが例えば２０μｍ程度であり、接着剤の層の厚さは１０μｍ程度である。この場合、図７（Ｂ）に模式的に示すように、バリがＦＰＣを突き抜け（又はＦＰＣ内部まで侵入し）、ＦＰＣの配線をショートさせやすくなる。このため、比較例では、ヒートスプレッダのバリ取りが必要となる。
【００３７】
これに対して、本実施例によるＦＰＣ９０は、比較例と同様、ＦＰＣ本体９１が例えば２０μｍ程度の厚さであり、接着剤の層の厚さが１０μｍ程度である場合でも、ＦＰＣ９０におけるヒートスプレッダ２０の縁部上に位置する部位に補強材９２を備えているので、バリからＦＰＣ９０の配線を効果的に保護することができる。即ち、本実施例によれば、ヒートスプレッダ２０のバリ取りを不要としつつ、バリからＦＰＣ９０の配線を効果的に保護することができる。
【００３８】
尚、この観点から、補強材９２は、好ましくは、ヒートスプレッダ２０のバリの高さよりも大きい板厚を有する。この場合、補強材９２は、ヒートスプレッダ２０に生じるバリの高さの取りうる範囲の最大値よりも大きい板厚に設定されてよい。例えばバリの高さの取りうる範囲が３０〜４０μｍの場合、補強材９２は、４０μｍよりも大きい板厚に設定され、例えば２００μｍ程度であってもよい。
【００３９】
尚、以上の実施例においては、ヒートスプレッダ２０が特許請求の範囲の「金属基板」に対応し、ＦＰＣ９０が特許請求の範囲の「可撓性回路基板」に対応し、補強材９２が特許請求の範囲の「板厚付加部材」に対応している。
【００４０】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００４１】
例えば、上述した実施例において、半導体装置１は、ヒートスプレッダ２０の上面が樹脂により封止されてもよい。樹脂は、半導体チップ１０を保護すると共に、半田５０によるヒートスプレッダ２０と半導体チップ１０との間の接合部の信頼性や、ボンディングワイヤ８０とＦＰＣ９０及び半導体チップ１０との接合信頼性を高める役割を果たす。任意の樹脂材料であってよく、例えばエポキシ樹脂やシリコンゲルのようなゲル材料が使用されてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１    半導体装置
１０    半導体チップ
１２    第１接続端子
１４    第２接続端子
２０    ヒートスプレッダ
２２    基板
３０    絶縁層
４０    ヒートシンク
４２    フィン
５０    半田
８０    ボンディングワイヤ
９０    ＦＰＣ
９０ａ    端部
９１    ＦＰＣ本体
９２    補強材
９３    補強材
【図１】
2013098465.tif 000003
【図２】
2013098465.tif 000004
【図３】
2013098465.tif 000005
【図４】
2013098465.tif 000006
【図５】
2013098465.tif 000007
【図６】
2013098465.tif 000008
【図７】
2013098465.tif 000009
【図８】
2013098465.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成24年10月19日(2012.10.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基板と、
前記金属基板上に配置される半導体素子と、
前記金属基板上に一端が配置され、前記半導体素子と電気的に接続される可撓性回路基板であって、前記金属基板の縁部を越えて前記金属基板の外側に延在する可撓性回路基板とを含み、
前記可撓性回路基板における前記金属基板の縁部上に位置する部位には、前記金属基板側に板厚付加部材が結合されることを特徴とする、半導体装置。
【請求項２】
前記金属基板は、打ち抜きにより形成され、
前記可撓性回路基板は、前記金属基板における前記打ち抜き時にバリが生じる側に設けられる、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記板厚付加部材は、前記可撓性回路基板における基板材料と同一の材料から構成される、請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記可撓性回路基板は、前記半導体素子とボンディングワイヤにより接続される、請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記板厚付加部材の板厚は、前記金属基板におけるバリの高さよりも大きい、請求項２に記載の半導体装置。