(57)【要約】【課題】冷却性能の高い配線基板、半導体装置、及び半導体パッケージを提供することを特徴とする。【解決手段】実施形態にかかる半導体装置は、セラミックス材で構成され一方の主面に第１配線層が形成された第１絶縁基板と、前記第１絶縁基板の他方側に配され、前記絶縁基板の外周縁より外方に突出する突出部を有するベースプレートと、を備える第１の配線基板と、前記第１配線層上に配され、前記第１配線層に電気的に接続される電極を有する半導体チップと、前記半導体チップを挟んで前記第１配線層の一方側に配され、セラミックス材で構成された第２絶縁基板と、前記第２絶縁基板の前記半導体チップ側の面に形成され、前記半導体チップに電気的に接続された第２配線層と、を備える第２配線基板と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス材で構成され一方の主面に第１配線層が形成された第１絶縁基板、及び、前記第１絶縁基板の他方側に配され、前記第１絶縁基板の外周縁より外方に突出する突出部を有するベースプレート、を備える第１の配線基板と、
前記第１配線層上に配され、前記第１配線層に電気的に接続される電極を有する半導体チップと、
前記半導体チップを挟んで前記第１配線層の一方側に配され、セラミックス材で構成された第２絶縁基板、及び、前記第２絶縁基板の前記半導体チップ側の面に形成され、前記半導体チップに電気的に接続される第２配線層、を備える第２配線基板と、
を備える半導体装置。
【請求項２】
前記第２配線層と前記半導体チップとの間に配される導電部と、前記第２絶縁基板の一方の主面に形成される第３配線層と、をさらに備え、
封止構造部は、前記第３配線層の少なくとも一部を露出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】
前記第２配線層と前記第１配線層との間に、絶縁材料で構成されるスペーサを備え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】
前記ベースプレートは金属材料で構成され、前記絶縁基板に直接接合され、
前記突出部は、前記ベースプレートの少なくとも一部が、前記絶縁基板と前記ベースプレートとの積層方向に対して交差する面方向において前記絶縁基板よりも外側に張り出すことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１配線基板上に、複数の前記半導体チップからなるチップ組を、複数組備え、
各前記半導体チップは、両主面にそれぞれエミッタ電極とコレクタ電極を有し、
複数の半導体チップ組上にそれぞれ対応して複数の前記第２配線基板が配され、
前記第１配線層は前記コレクタ電極または前記エミッタ電極の一方に電気的に接続される配線パターンを備え、
前記第２配線層は、前記コレクタ電極または前記エミッタ電極の他方に電気的に接続される配線パターンを備える、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体チップを封止する封止構造部をさらに備える請求項１乃至５のいずれか記載の半導体装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか記載の半導体装置と、
前記ベースプレートの前記他方側に設けられた冷却構造部と、を備える半導体パッケージ。
【請求項８】
前記冷却構造部は、前記ベースプレートの前記他方側の面に対向配置され、前記ベースプレートとの間に流路を構成し、前記突出部に取付けられる、冷却ジャケットを備える請求項７記載の半導体パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置、及び半導体パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体パッケージは、例えば、半導体回路基板と、半導体回路基板を封止する封止部材と、を含む。半導体回路基板は、例えば、セラミックや樹脂等の絶縁基材及び絶縁基材の両面または片面に固定された金属箔等を含む導電基材と、一方の導電基材に半田等で固定された半導体チップ等を含む回路と、を備えている。
【０００３】
例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などのパワー半導体チップは、スイッチングすることにより熱を発生する。そのため、半導体回路基板は、熱を拡散する拡散板を介してヒートシンクと接触して固定されることで冷却される。
【０００４】
近年、パワー半導体は高電圧、大電流下において高速でスイッチングする場合、大電流下において高速でスイッチングすることにより発熱量が大きくなるため、パワー半導体を含む半導体回路には放熱性、冷却性能の向上が望まれている。
【０００５】
また、ハイブリッドカ−や電気自動車等の実用化に伴い、パワー半導体パッケージは小型化、軽量化、低価格化が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３２９９３８号公報
【特許文献２】特開２００２−３１５３５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
半導体回路基板の冷却性能は、半導体素子と冷却面との間の熱抵抗（パッケージ熱抵抗）と、冷却面と冷却媒体との間の熱抵抗（熱伝達）とに依存している。
【０００８】
例えば、半導体素子と冷却面との間に介在する構成を減らすと、パッケージ熱抵抗を小さくすることができるため、冷却性能の向上には有利になる。一般的な半導体モジュールの冷却方法は、モジュール放熱板とヒートシンクとがシリコングリス等により密着及び接合されている。このような構成では介在する材料が多く、シリコングリスという熱抵抗が大きい材料が存在するため、高い冷却性能を得ることが困難である。
【０００９】
本発明の実施形態は、上記事情を鑑みて成されたものであって、冷却性能の高い半導体装置及び半導体パッケージ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】
【００１０】
実施形態にかかる半導体装置は、セラミックス材で構成され一方の主面に第１配線層が形成された第１絶縁基板と、前記第１絶縁基板の他方側に配され、前記絶縁基板の外周縁より外方に突出する突出部を有するベースプレートと、を備える第１の配線基板と、前記第１配線層上に配され、前記第１配線層に電気的に接続される電極を有する半導体チップと、前記半導体チップを挟んで前記第１配線層の一方側に配され、セラミックス材で構成された第２絶縁基板と、前記第２絶縁基板の前記半導体チップ側の面に形成され、前記半導体チップに電気的に接続された第２配線層と、を備える第２配線基板と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係る半導体パッケージの構成を示す斜視図。
【図２】同半導体パッケージの第２配線基板の構成を示す斜視図。
【図３】同半導体パッケージの構成を示す断面図。
【図４】同半導体パッケージの下面図。
【図５】同半導体パッケージの斜視図。
【図６】同半導体パッケージの製造工程を示す説明図。
【図７】第２実施形態に係る半導体パッケージの構成を示す断面図。
【図８】同半導体パッケージの構成を示す説明図。
【図９】同半導体パッケージの一部を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［第１実施形態］
以下、実施形態の半導体装置１及び半導体パッケージ１００について、図１乃至図４を参照して説明する。各図において説明のため、適宜構成を拡大、縮小または省略して示している。
【００１３】
図１は、第１実施形態の半導体装置１を備える半導体パッケージ１００を上側から見た斜視図であり、図２は第２配線基板３０の構成を示す斜視図である。図３は、半導体パッケージ１００の断面を示す説明図である。図４は半導体パッケージ１００の下面図、図５は同半導体パッケージ１００の下側から見た斜視図である。図６は半導体パッケージ１００の製造工程を示す説明図である。図１において封止構造部３６を省略して示している。
【００１４】
図１乃至図４に示すように、半導体装置１は、第１の配線基板である第１配線基板１０と、第１配線基板１０上に設けられる半導体素子としての半導体チップ群２０と、半導体チップ群２０を挟んで第１配線基板１０と反対側に配置される第２配線基板３０と、半導体チップ群２０を封止する封止構造部３６と、を備えている。
【００１５】
本実施形態の半導体パッケージ１００は、半導体装置１と、半導体装置１の第１配線基板１０の他方側に設けられる冷却構造部４０と、を備えて構成される。
【００１６】
第１配線基板１０は、第１絶縁基板１１と、第１絶縁基板１１の一方の主面に形成された第１配線層１２と、第１絶縁基板１１の他方側に設けられたベースプレート１３と、を備えている。
【００１７】
第１絶縁基板１１は、セラミックス材で形成され、半導体チップ群２０が搭載される一方側の第１の面１１ａと、他方側の第２の面１１ｂとを有する方形の板状に構成されている。
【００１８】
第１絶縁基板１１は、粉末状の材料をシート状にして焼結して形成されている。本実施形態では、第１絶縁基板１１は、例えば窒化珪素（ＳｉＮ）やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックのシートなどで形成される。複数のシートを積層して形成することも可能である。例えば窒化珪素は強度が高く、線膨張係数が低いため、高温環境においても変形し難い。また、窒化珪素は、アルミナや樹脂等と比較しても熱伝導率が高い。第１絶縁基板１１は、セラミックで形成される。このため、腐食しにくく、また、硬度および強度が高いため、冷却媒体の流速向上や沸騰現象に対する十分な耐性を有する。
【００１９】
例えば、絶縁基板１１の厚さ、すなわちＺ方向寸法は、０．３ｍｍ〜１ｍｍ程度に構成される。本実施形態においては０．５ｍｍ以下で構成される。
【００２０】
第１の配線層である第１配線層１２は、回路配線に用いられる銅やアルミニウムなどの導電性材料をパターンニングして形成される配線層である。例えば、第１配線層１２は、例えば銅パッドが第１絶縁基板１１にいわゆるＤＢＣ接合により直接接合され、あるいは銅パッドが第１絶縁基板１１上に溶着されている。なお、第１配線層１２は、半導体チップ群２０を含む回路の一部を構成してもよく、外部から電流を供給するリード端子１５が接続される接続パッドを含んでいてもよい。
【００２１】
第１配線層１２は、半導体チップ群２０で発生した熱を第１絶縁基板１１の基板面方向、すなわち半導体チップ群２０及び第１絶縁基板１１の積層方向と直交する方向、に熱を伝達するためのヒートスプレッダとしても機能する。
【００２２】
図１に示すように、実施形態において、第１配線層１２は、コレクタパターン１２ｂを有している。コレクタパターン１２ｂは、各チップ２１，２２の下面とコレクタ端子１８ｂとを含む所定領域に対応するＬ字形状に形成されている。
【００２３】
コレクタパターン１２ｂ上には半導体チップ群２０が配置されている。また、コレクタパターン１２ｂのＹ方向１端側の縁部には信号ピンであるリード端子１５と接続されるボンディングワイヤ１６が接合されている。また、コレクタパターン１２ｂのＹ方向他端側の縁部には、コレクタ端子１８ｂが接続されている。
【００２４】
リード端子１５、エミッタ端子１８ａ、及びコレクタ端子１８ｂは、導電性材料から帯状に構成される接続部材であり、複数の電極や端子間を電気的に接合する。
【００２５】
例えば製造工程において、リード端子１５、エミッタ端子１８ａ、及びコレクタ端子１８ｂは、配線基板１０の外周に配されるリードフレーム５０の一部として配される。リードフレーム５０は、エミッタ端子１８ａと、コレクタ端子１８ｂと、リード端子１５と、ベースプレート１３の外周よりも外方に配される方形状のフレーム部分と、を備える。リードフレーム５０は、製造工程において切断され、リード端子１５、端子１８ａ、１８ｂの部位を残して除去される。
【００２６】
ベースプレート１３は、例えば導電性材料である金属材料で板状に構成され、その一方の主面が第１絶縁基板１１と接合される。例えば実施形態においてベースプレート１３は銅板で構成されている。
【００２７】
例えば、ベースプレート１３の厚さ、すなわちＺ方向寸法は、３ｍｍ〜５ｍｍ程度に構成される。ベースプレート１３は第１絶縁基板１１にＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｐｌａｔｅｄ  Ｃｏｐｐｅｒ）接合により直接接合されている。
【００２８】
ベースプレート１３はその外周部分において第１絶縁基板１１の外周縁よりも外方に突出する突出部１３ｃを備えている。すなわち、ベースプレート１３はその上面において中央部位に第１絶縁基板１１が配置される。ベースプレート１３の外周部分は第１絶縁基板１１の外周縁よりも外方に張り出して第１絶縁基板１１に覆われずに露出した突出部１３ｃを構成する。
【００２９】
ベースプレート１３の外周部分には、所定箇所に絶縁基板の面方向において中央に向けて凹む切欠部１３ｄが形成されている。切欠部１３ｄの底部は第１絶縁基板１１よりも中央よりに位置している。この切欠部１３ｄは信号接続用のリード端子１５、エミッタ端子１８ａ、コレクタ端子１８ｂ等の各種端子が配される部位に配置され、これらの端子１５、１８ａ，１８ｂがベースプレート１３に接触するのを回避している。
【００３０】
図１においてベースプレート１３はＹ方向の両端縁において２か所に切欠部１３ｄが形成され、残りの部位に突出部１３ｃが形成される。
【００３１】
突出部１３ｃは例えばモールドの際に金型６０の押さえ代となる。また突出部１３ｃは冷却構造部４０を固定するための取付部として機能する。
【００３２】
具体的には、突出部１３ｃに厚み方向であるＺ方向に貫通する取付孔１３ｅが形成されている。この取付孔１３ｅにおいてねじ等の締結部材１９によりベースプレート１３に冷却構造部４０が取り付けられる。
【００３３】
エミッタ端子１８ａは一部が屈曲して上方、すなわち第２配線基板３０側に延び、先端部位がリードフレーム５０のフレーム部分よりも上方に位置している。この先端部位が組付工程において半導体チップ群２０上に載置される第２配線基板３０の第２配線層３２に接合される。
【００３４】
コレクタ端子１８ｂは一部が屈曲して下方に延び、先端部位がリードフレーム５０のフレーム部分よりも下方に位置している。この先端部位が第１配線基板１０上のコレクタ第１配線層１２に接合される。
【００３５】
半導体チップ群２０は、例えば半田により第１配線基板１０上の第１配線層１２に接合されている。半導体チップ群２０は、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＧＴＯ（ｇａｔｅ  ｔｕｒｎ−ｏｆｆ  ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、トランジスタなどの半導体スイッチや、ダイオード等、電気回路に用いられる様々な半導体チップを用いることができる。
【００３６】
例えば本実施形態では、半導体チップ２０として、スイッチング素子であるＩＧＢＴチップ２１およびＦＲＤ（Ｆａｓｔ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  Ｄｉｏｄｅ）チップ２２が絶縁基板上においてＸ方向に並んで配置されている。ＩＧＢＴチップ２１およびＦＲＤチップ２２の外形状は、例えば矩形の板状に構成されている。
【００３７】
ＩＧＢＴチップ２１およびＦＲＤチップ２２は両主面に電極としてコレクタ電極及びエミッタ電極をそれぞれ有している。例えば実施形態においては上面にエミッタ電極、下面にコレクタ電極がそれぞれ形成されている。
【００３８】
ＦＲＤチップ２２のエミッタ電極とＩＧＢＴチップ２１のエミッタ電極は、第２配線基板３０によって電気的に接続されている。
【００３９】
ＩＧＢＴチップ２１およびＦＲＤチップ２２下面に配されたコレクタ電極は、配線基板１０上のコレクタ用の第１配線層１２に接合されている。
【００４０】
第２配線基板３０は、第２絶縁基板３１と、第２絶縁基板３１の他方の主面に形成された第２配線層３２と、第２配線層３２上の所定箇所に形成された導電部としてのエミッタパッド３３と、基板１０との間隔を規定するスペーサ３４と、第２絶縁基板３１の一方の主面に形成されたに形成された第３配線層３５と、を備えている。第２配線基板３０は、半導体チップ群２０を挟んで第１配線基板１０上に半田等を介して接合される。
【００４１】
第２絶縁基板３１は、第１絶縁基板１１と同様にセラミックス材で形成され、方形の板状に構成されている。例えば、第２絶縁基板３１の厚さ、すなわちＺ方向寸法は、０．３〜０．５ｍｍ程度に構成される。
【００４２】
第２配線層３２は、第１配線層１２と同様に、回路配線に用いられる銅やアルミニウムなどの導電性材料をパターンニングして形成される配線層である。第２配線層３２は、例えば銅パッドが第２絶縁基板３１にいわゆるＤＢＣ接合により直接接合されている。なお、第２配線層３２は、半導体チップ群２０を含む回路の一部を構成してもよく、外部から電流を供給するリード端子１５が接続される接続パッドを含んでいてもよい。第２配線層３２の厚さ、すなわちＺ方向寸法は、０．３〜０．５ｍｍ程度に構成される。
【００４３】
第２配線層３２は、半導体チップ群２０で発生した熱を第２絶縁基板３１の基板面方向、すなわち半導体チップ群２０、及び第２絶縁基板３１が積層した方向と直交する方向、に拡散するためのヒートスプレッダとしても機能する。
【００４４】
実施形態において、第２配線層３２は、エミッタ電極接続用のエミッタパターンである。図１乃至図３に示すように、第２配線層３２は、半導体チップ群２０上にエミッタパッド３３を介して接続される。また、第２配線層３２のＹ方向他端側の縁部には、リードフレーム５０に接続されたエミッタ端子１８ａが接続されている。
【００４５】
複数のエミッタパッド３３は、それぞれ、銅等の導電材から所定の厚さを方形の有する板状に構成されている。エミッタパッド３３は、ＩＧＢＴチップ２１およびＦＲＤチップ２２の上面に対向する所定箇所にそれぞれ配置されている。各エミッタパッド３３，３３は、ＩＧＢＴチップ２１およびＦＲＤチップ２２の上面に形成されたエミッタ電極に半田等の接合剤を介して、接合される。エミッタパッド３３の厚さ寸法は例えば１〜１．５ｍｍ程度に構成されている。
【００４６】
スペーサ３４は、例えば第２絶縁基板３１と同様に、絶縁材料であるセラミックス材で形成され、エミッタパッド３３の厚さ寸法と、ＩＧＢＴチップ２１またはＦＲＤチップ２２の厚さ寸法を足した所定の厚さを有する方形の板状に構成されている。スペーサ３４は、例えば第２配線基板３０を半導体チップ群２０が搭載された第１配線基板１０上に接合する際に配線基板１１上面に当接することで、第１配線基板１０と第２配線基板３０との間隔を一定に維持し、平行に配置するための位置決め機能を果たす。
【００４７】
第３配線層３５は、第２絶縁基板３１の第１の面３１ａ上に、例えば銅等の導電材から所定の厚さを有する層状に構成されている。第３配線層３５は必要に応じて研削され、その一方側の主面が封止構造部３６から外部に露出している。
【００４８】
冷却構造部４０は、ベースプレート１３に対向配置された冷却ジャケット４１と、ベースプレート１３の第２の面１３ｂに一体に形成された整流ガイド４２と、を備える。
【００４９】
整流ガイド４２は、ベースプレート１３の第２の面１３ｂに構成された複数の整流部４２ａで構成される。整流部４２ａは例えばフィン状、柱状、ピン状、壁状など、種々の形状に構成されている。
【００５０】
冷却ジャケット４１は、ベースプレート１３との間に冷却媒体が通過する空隙である流路を構成する矩形状の凹部を有するケース部４１ａと、ケース部４１ａの外周縁に設けられた複数の取付部と４１ｂ、ケース部４１ａの内外を連通させる流入用ポート４１ｃ及び流出用ポート４１ｄと、を備えている。
【００５１】
冷却ジャケット４１の外周縁には、Ｏリング４３が配設されるリング溝が形成されている。冷却ジャケット４１は、ケース部４１ａがベースプレート１３の第２の面１３ｂに整流部４２ａを覆うように被せられ、取付部４１ｂがねじ等の締結部材でベースプレート１３に取り付けられることにより、ベースプレート１３の第２の面１３ｂ側に、リング溝４１ｅに配されたＯリング４３によって密閉される所定の流路が形成される。
【００５２】
封止構造部３６は、例えば樹脂等により形成された絶縁体である。封止構造部３６は、例えばモールドやポッティングにより、半導体パッケージ１００の各チップ２１，２２や第１配線層１２、第２配線基板３０等を被覆及び封止している。封止構造部３６は、少なくとも半導体チップ群２０を封止することにより半導体チップ群２０が水や空気と接触することを防止し、半導体チップ群２０の劣化を回避している。封止構造部３６は、配線パターン１２の一部を露出するように配置されてもよい。
【００５３】
本実施形態において封止構造部３６は、第２配線基板３０の第３配線層３５の一方の面を露出している。例えば封止構造部３６は、第３配線層３５を露出するために、必要に応じて研削加工される。
【００５４】
半導体装置１及び半導体パッケージ１００において、冷却構造部４０内に形成される流路を冷媒が流れることで、冷却構造部４０が冷却される。流路を流れる冷媒は，例えば水、エチレングリコール等である。
【００５５】
以上の様に構成された半導体パッケージ１００の製造工程について説明する。
【００５６】
まず、ＤＢＣプロセスで製造された配線基板１０を準備する。配線基板１０の製造工程は、例えば下面にフィン状の整流部４１ａを有する所定形状に形成されたベースプレート１３上に、例えばセラミックス材から板状に構成された絶縁基板１１をＤＢＣ接合により直接接合し、絶縁基板１１上に配線パターン１２を形成する。
【００５７】
なお、配線基板１０の製造工程は、予めセラミックスの絶縁基板１１上に配線パターン１２を形成し、その後ベースプレート１３上に絶縁基板１１を直接接合してもよいし、パターン形成工程として導電性のパッドを直接接合してもよい。
【００５８】
一方で、セラミックス材から板状に構成された第２絶縁基板３１を準備し、第１の面３１ａ上に第３配線層３５を形成するとともに、第２の面３１ｂ上に第２配線層３２を形成する。さらに、第２配線層３２上にエミッタパッド３３及びスペーサ３４をＤＢＣ接合して第２配線基板３０を構成する。
【００５９】
配線基板１０を、リフロー搬送用の治具に載置する。搬送用の治具は例えばベースプレート１３に設けられた孔部に挿入される位置決め用のガイドピンを備えている。
【００６０】
図１に示すように、この第２配線基板３０を、第１配線基板１０上に被せるように載せ、半田付けにより接合する。具体的には、配線基板１０の配線パターン１２上に、半田シートと、半導体チップ２０と、リードフレーム５０とを所定の位置に重ねて配置し、さらに半田シートと第２配線基板３０を対向配置して積み上げた後、水素／ギ酸リフロー炉に投入して半田付けを行う。第２配線基板３０のスペーサ３４をコレクタパターン１２上に、エミッタパッド３３を半導体チップ群２０の上面に、それぞれ対向配置させる。また、エミッタ用の端子１８ａを、第２配線層３２に接合する。
【００６１】
このとき、スペーサ３４がコレクタパターン１２上に当接することで、第１配線基板１０と第２配線基板３０とが所定の一定の間隔を有して平行に配置される。
【００６２】
そして、フレーム固定用の治具を用いてリードフレーム５０を押さえ、電極接続用のＣｕリボンやボンディングワイヤ等を接合することで、複数の半導体チップ２０のゲート信号、温度センス、及びエミッタセンスと、リード端子１５とを、それぞれ接続する。
【００６３】
次に、半導体チップ２０が搭載された配線基板１０をリードフレーム５０とともに搬送用の治具から外し、例えば図６に示すように、モールド加工装置の金型６０にセットし、モールド加工により、封止構造部３６を形成する。金型６０は、配線基板１０の外周を密閉する複数の型６１，６２を備える。複数の型の間には配線基板１０と配線基板１０上に形成される封止構造部３６の形状に対応する所定形状の内部空間が形成されている。また、金型６０を構成する複数の型は、その外縁部分に、金型６０を閉めた状態で端子１５，１８ａ、１８ｂが配され、かつ、その周りが密閉されるように形成された隙間を有している。なお、配線基板１０は整流部４２ａへの機械的な干渉を避けるための治具６３上にセットされる。金型６０の内部空間に配線基板１０を配し、金型６０を閉めてモールド加工することで、端子１５，１８ａ、１８ｂの一部を露出した状態で封止構造部３６が形成され、半導体チップ２０及び配線パターン１２等が被覆及び封止される。封止構造部３６はモールド加工の他に例えばポッティング処理など、他の処理によって形成されてもよい。
【００６４】
なお、封止構造部３６を形成する際には、処理装置治具によって突出部１３ｃを押さえることで、位置決め及び加工処理を容易に行うことが可能となる。そして、リードフレーム５０の外周の不要な部分を金型で切断することで、半導体装置１が完成する。
【００６５】
さらに冷却ジャケット４１を、ベースプレート１３の第２の面１３ｂに被せ、取付部４１ｂにおいて締結部材１９を締結し、ベースプレート１３に固定することで、半導体パッケージ１００が完成する。
【００６６】
以上の様に構成された半導体装置１は、熱源である半導体チップ群２０と、冷却媒体と接触する冷却構造部４０の冷却面との間に、半田と、第１配線層１２と、第１絶縁基板１１と、ベースプレート１３と、を有している。
【００６７】
したがって、半導体チップ群２０で発生した熱は、第１配線層１２へ伝熱され、さらに第１絶縁基板１１及びベースプレート１３を介して冷却構造部４０に伝熱されて冷却媒体により冷却される。また、第１配線層１２にリードが接続される場合には、リードから第１配線層１２へ流れる電流によりリードと第１配線層１２との接続部分で熱が発生する。リードと第１配線層１２との間で発生した熱は、第１配線層１２へ伝熱され、さらに第１絶縁基板１１を介して冷却構造部４０へ伝熱されて冷却媒体により冷却される。
【００６８】
本実施形態の半導体装置１及び半導体パッケージ１００は、第１配線基板１０上に半導体チップ群２０と、第１配線層１２と、封止構造部３６と、を備える構成としたことで、グリースや半田による接合部位を多数備える構成と比べて小型化、軽量化、低価格化を実現することが可能となる。また、第１絶縁基板１１をセラミックス材で構成したことにより、高い耐圧を確保でき、パワー半導体素子を搭載するのに適した性能を確保できる。
【００６９】
また第１絶縁基板１１に接合されるベースプレート１３は第１絶縁基板１１よりも外側に張り出す突出部１３ｃを備えることにより、組み付け性が良い。すなわち、モールド工程における押さえ代を提供できるとともに、他の構造との取付機能を持たせることが可能であるため、組立性が良い。
【００７０】
また、本実施形態によれば、熱源である半導体チップ群２０の各チップ２１，２２の上面のエミッタ電極は、エミッタパッド３３、第２配線層３２、第２絶縁基板３１と、第３配線層３５を介して、外部に放熱される。このように、半導体パッケージ１００は、半導体チップ群２０の上面に配される第２配線基板３０側からも放熱できるため、高い放熱性能を確保できる。
［第２実施形態］
以下、第２実施形態にかかる第１配線基板１０、半導体装置２及び半導体パッケージ２００について、図６乃至図８を参照して説明する。図６は、第２実施形態に係る半導体パッケージ２００の構成を示す平面図であり、図７は同半導体パッケージ２００の構成を示す側面図である。図８は半導体パッケージ２００の一部を示す斜視図である。
【００７１】
なお、第２実施形態に係る半導体パッケージ２００は、所謂６イン１構造であり、一枚の第１配線基板１０上に、ＩＧＢＴチップ２１及びＦＲＤチップ２２を２つずつ備える半導体チップ群２０Ａを６つ備えている。この他は第１実施形態にかかる半導体パッケージ１００と同様であるため、第２実施形態にかかる半導体パッケージ２００において、半導体パッケージ１００と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００７２】
図６乃至図８に示すように、本実施形態の半導体パッケージ２００は、半導体装置２と、半導体装置２の第１配線基板１０の他方側に設けられる冷却構造部４０と、を備えて構成される。
【００７３】
半導体装置２の、第１配線基板１０は、ベースプレート１３上に、第１絶縁基板１１が設けられている。
【００７４】
ベースプレート１３は、図中Ｘ軸に沿う一方向に長い長方形状であって、その外周に複数の切欠部１３ｄを備えている。
【００７５】
第１絶縁基板１１は、ベースプレート１３よりも小さく図中Ｘ軸に沿う一方向に長い長方形状に形成されている。第１絶縁基板１１上には第１配線層１２として、複数のコレクタパターン１２ｂと複数のエミッタパターン１２ａが形成されている。
【００７６】
また、本実施形態にかかる半導体パッケージ１００は、離間する複数の電極、端子または配線パターンを接続する接続部材として、銅などの導電性材料からなる電極ブリッジ１７を備えている。
【００７７】
本実施形態において、ＩＧＢＴチップ２１及びＦＲＤチップ２２をそれぞれ２つずつ有して構成されるチップ組２０Ａが、６組、Ｘ方向に並んで配置されている。隣接する２組のチップ組２０Ａがそれぞれ１つの相に対応し、Ｘ方向においてＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する３相のグループが並んで配置されている。
【００７８】
第１配線層１２は、Ｘ方向に並ぶ６つの方形状のコレクタパターン１２ｂを有している。各、コレクタパターン１２ｂ上において、ＩＧＢＴチップ２１及びＦＲＤチップ２２をそれぞれ２つずつ配置されている。また、コレクタパターン１２ｂは、半導体装置２のＹ方向一端側においてＸ方向に沿って連続して形成されているとともに、隣接する方形のコレクタパターン１２ｂの間の所定箇所に形成されている。
【００７９】
第１配線基板１０の６つのコレクタパターン１２ｂ上に、ＩＧＢＴチップ２１およびＦＲＤチップ２２がそれぞれ２つずつ、配置されている。
【００８０】
各ＩＧＢＴチップ２１およびＦＲＤチップ２２は両主面に電極としてコレクタ電極及びエミッタ電極をそれぞれ有している。例えば実施形態においては上面にエミッタ電極、下面にコレクタ電極がそれぞれ形成されている。
【００８１】
ＦＲＤチップ２２のエミッタ電極とＩＧＢＴチップ２１のエミッタ電極とは、エミッタパッド３３及び第２配線層３２によって、電気的に接続されている。
【００８２】
また、コレクタ電極はチップの下側に形成されているコレクタパターン１２ｂによって、電気的に接続されている。
【００８３】
半導体チップ群２０Ａを挟んでＺ方向において６つのコレクタパターン１２ｂとは反対側に、第２配線基板３０が設けられている。
【００８４】
第２配線基板３０は、第１実施形態と同様に、第２絶縁基板３１と、第２絶縁基板３１の一方の主面に形成された第２配線層３２と、第２配線層３２上の所定箇所に形成されたエミッタパッド３３と、第３配線層３５と、を備えている。
【００８５】
第２配線基板３０は、半導体チップ群２０が搭載された第１配線基板１０上に半田等を介して接合される。ここでは、各コレクタパターン１２ｂに対応して６カ所に配置されている。
【００８６】
第２絶縁基板３１は、セラミックス材で形成され、対向する一対の主面を有する方形の板状に構成されている。第２絶縁基板３１の一方の主面には第３配線層３５が、他方の主面には第２配線層３２が、それぞれ形成されている。
【００８７】
実施形態において、第２配線層３２は、エミッタ電極接続用のエミッタパターンである。第２配線層３２は、半導体チップ群２０上にエミッタパッド３３を介して接続される。
【００８８】
複数のエミッタパッド３３は、それぞれ、銅等の導電材から所定の厚さを方形の有する板状に構成されている。エミッタパッド３３は、複数のＩＧＢＴチップ２１およびＦＲＤチップ２２の上面に対向する所定箇所にそれぞれ配置されている。
【００８９】
なお、本実施形態においてはスペ−サ３４を設けていない例を示すが、これに限られるものではなく、必要に応じて適当な位置にスペ−サ３４となる柱状の部材を設けてもよい。
【００９０】
第１絶縁基板１１上において、６つ並んで配置され半導体チップ群２０を搭載する方形のコレクタパターン１２ｂの側部や、各コレクタパターン１２ｂのＹ方向の一端側における所定箇所に、エミッタパターン１２ａが形成されている。
【００９１】
半導体パッケージ２００の外周にはリードフレーム５０が設けられている。リードフレーム５０はベースプレート１３の外周よりも外方にあって第１配線基板１０を囲む方形状のフレームである。
【００９２】
リードフレーム５０においてＹ方向の一端側のフレーム部には、内側に配置された第１配線層１２のコレクタパターン１２ｂに向けてＹ方向に延びる複数のリード端子１５を備えている。リード端子１５は、ボンディングワイヤ１６を介して、コレクタパターン１２ｂに接続されている。
【００９３】
リードフレーム５０のＸ方向一端側のフレーム部分には、第１配線層１２のエミッタパターン１２ａ及びコレクタパターン１２ｂにそれぞれ接続されるエミッタ端子１８ａ及びコレクタ端子１８ｂが設けられている。
リードフレーム５０は、製造課程において各種端子１５，１８ａ，１８ｂの部位を残して切断される。
【００９４】
さらに、半導体パッケージ２００において、エミッタ用の接続部材であるエミッタブリッジ１７ａと、コレクタ用の接続部材であるコレクタブリッジ１７ｂが所定箇所に配置されている。エミッタブリッジ１７ａは、複数のエミッタパターン１２ａ、複数の第２配線層３２を電気的に接続する。コレクタブリッジ１７ｂは、複数のコレクタパターン１２ｂを電気的に接続する。
【００９５】
リード端子１５、エミッタブリッジ１７ａ、コレクタブリッジ１７ｂ、エミッタ端子１８ａ、コレクタ端子１８ｂは、導電材から帯状またはピン状に構成され複数の電極や端子間を電気的に接合する。
【００９６】
冷却構造部４０は、所定の流路を介してベースプレート１３の第２の面１３ｂを覆うケース部４１ａを備えている。流路は、冷却媒体が通過する空隙である。
【００９７】
封止構造部３６は、例えば樹脂等により形成された絶縁体である。封止構造部３６は、例えばモールドやポッティングにより、半導体パッケージの半導体チップ群２０や第１配線層１２等を被覆及び封止している。
【００９８】
半導体装置２及び半導体パッケージ２００において、冷却構造部４０内に形成される流路を冷媒が流れることで、冷却構造部４０が冷却される。流路を流れる冷媒は，例えば水、エチレングリコール等である。
【００９９】
本実施形態の半導体装置２及び半導体パッケージ２００においても、上記第１実施形態に係る半導体装置１及び半導体パッケージ１００と同様の効果が得られる。さらに、本実施形態に係る半導体装置２及び半導体パッケージ１００は複数のチップ組２０Ａに対して共通の冷却ジャケット４１を用いるため、冷却構造が単純であり、冷媒の流量を確保できることから放熱効率が向上する。
【０１００】
なお、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。
【０１０１】
例えば、冷却構造部４０を省略してもよい。その場合であっても、上述の第１実施形態の第１配線基板１０及び半導体パッケージと同様の効果を得ることができる。
【０１０２】
上記実施形態において、第１配線基板の他方側に冷却構造部４０を備える半導体パッケージ１００，２００を例示したが、これに限られるものではない。例えば他の実施形態として、第２配線基板３０の一方側にも冷却構造部４０を備える構成としてもよい。この場合、封止構造部３６から露出する第３配線層が冷却されることで、より高い放熱性能を確保できる。
【０１０３】
また、冷却構造部４０の構造も上記実施形態に限られるものではない。例えば複数の柱状部や複数の壁状部を有するなど、他の形状であってもよい。また、配線基板１０側に形成される整流部４２ａに対向して弾性的に接触するラバー部材を、例えばケース部４１ａの底面に配することによって流路を規定することも可能である。
【０１０４】
第１実施形態及び第２実施形態において、封止構造部３６は第１配線層１２の一部を露出して半導体チップ群２０を覆うように配置されても良い。その場合であっても上述の第１実施形態及び第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１０５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１０６】
１、２…半導体装置、１０…第１配線基板、１１…第１絶縁基板、１２…第１配線層、１２ａ…エミッタパターン、１２ｂ…コレクタパターン、１３…ベースプレート、１３ｃ…突出部、１３ｄ…切欠部、１３ｅ…取付孔、１５…リード端子（接続部材）、１６…ボンディングワイヤ（接続部材）、１７ａ…エミッタブリッジ（接続部材）、１８ａ…エミッタ端子（接続部材），１８ｂ…コレクタ端子（接続部材）、１９…締結部材、２０…半導体チップ群、２１…ＩＧＢＴチップ（半導体チップ）、２２…ＦＲＤチップ（半導体チップ）、３０…第２配線基板、３１…第２絶縁基板、３２…第２配線層、３３…エミッタパッド（導電パッド）、３４…スペーサ、３５…第３配線層、３６…封止構造部、４０…冷却構造部、４１…冷却ジャケット、４１ａ…ケース体、４２ａ…整流部、５０…リードフレーム、１００，２００…半導体パッケージ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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